Спиральных микророботов заставили двигаться с помощью звука

Инженеры разработали микророботов с длиной корпуса 350 микрометров, которые благодаря ребристой спиралевидной форме, напоминающей штопор или бактерии спирохеты, могут передвигаться в жидкости под воздействием звуковых волн в диапазоне от 12 до 19 килогерц. Скоростью и направлением движения можно управлять, изменяя частоту и амплитуду звуковых колебаний. По мнению авторов, роботов можно использовать в медицинских целях для адресной доставки лекарств или в качестве дистанционно управляемых беспроводных стентов. Статья опубликована в журнале Science Advances.

Ученые давно пытаются создать микророботов, которых можно было бы использовать для лечения болезней in vivo. Двигаясь по сети кровеносных сосудов, миниатюрные устройства могли бы доставлять лекарства непосредственно к пораженным органам и тканям, манипулировать клетками и тромбами или, например, выполнять роль беспроводного стента для ангиопластики.

Одним из ключевых вопросов по-прежнему остается выбор эффективного метода управления микророботами внутри организма. Наиболее часто встречается подход, основанный на использовании внешнего магнитного поля. Однако он требует внедрения в корпус робота ферромагнитных материалов и приводит к усложнению процесса производства. Кроме того, система управления в этом случае обычно представляет собой довольно сложную и громоздкую систему из нескольких электромагнитов.

Инженеры под руководством Даниеля Ахмеда (Daniel Ahmed) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха решили использовать менее изученный способ для внешней актуации микророботов. Они обнаружили, что помещенные в жидкость микрообъекты спиралевидной формы можно двигать звуковыми волнами определенной частоты. Созданные ими из фоторезиста с помощью метода двухфотонной лазерной литографии микророботы имеют длину 350 микрометров и диаметр 100 микрометров. Их ребристый корпус представляет собой цилиндрическое ядро и обвивающуюся вокруг него двойную спиральную структуру.

Моделирование показало, что движение объектов с такой формой в жидкости под воздействием акустических волн связано с образованием микротечений вокруг витков спирали. При частоте звука 18,6 килогерц скорость этих микропотоков достигает величины около 350 микрометров в секунду. Они вызывают вращение цилиндрического корпуса вокруг оси, в результате чего спираль начинает ввинчиваться в толщу жидкости подобно водяному винту. Похожим образом, например, перемещаются спиралевидные бактерии спирохеты, к которым относятся возбудители сифилиса и болезни Лайма.

В качестве экспериментального стенда инженеры использовали прямоугольные контейнеры и микроканалы из полидиметилсилоксана, заполненные водой и изопропиловым спиртом соответственно. Они закреплялись на предметном стекле, вместе с пьезоэлектрическим звуковым излучателем, подключенным через усилитель к генератору, и помещались в поле зрения микроскопа.

Эксперименты показали, что направление вращения микророботов и, соответственно, направление движения, можно изменять на противоположное с помощью подбора частоты звуковых колебаний. Скорость движения при этом определяется геометрией витков двойной спирали, а также величиной амплитуды напряжения генератора, которая связана с амплитудой звукового давления. Робот под воздействием звуковых волн в диапазоне от 10 до 20 килогерц, генерируемых при амплитудах напряжения от 15 до 60 вольт, оказался способен передвигаться не только в горизонтальной плоскости, но и в трехмерном пространстве по каналам, расположенным под углом от 15 до 75 градусов к горизонтали.

В будущем инженеры планируют исследовать эффекты, связанные с уменьшением размеров микророботов, а также изучить возможные способы изменения угла поворота, например, с помощью магнитного поля или набора из нескольких звуковых излучателей. Авторы работы отмечают, что разработанные ими устройства смогут применяться в биомедицинских целях. При этом и для управления движением и для мониторинга проводимых внутри организма манипуляций, возможно будет достаточного одного и того же ультразвукового источника.

Биоинженеры из Гонконга применили оптический способ для приведения в движение микрообъектов, находящихся в кровеносных сосудах. Для этой цели они использовали явление термофореза, когда тело перемещается из горячей зоны в более холодную. Изготовленная с помощью литографии микроракета под воздействием лазерного излучения смогла разогнаться внутри модельного кровеносного сосуда до скорости 2,8 миллиметра в секунду, вращаясь при этом со скоростью 138 оборотов в секунду.